Расход воздуха на горение

Минимальное количество воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы (кг) или объема (м³) горючего вещества, называется теоретически необходимым и обозначается V_I. В табл. 1 приведены значения V_I для различных горючих веществ при нормальных условиях (0°С и 101,3 кПа).

Значения величин, приведенных для древесины, торфа, бензина, керосина, нефти и водяного газа, являются средними, так как состав этих горючих материалов непостоянен. Вид формулы для расчета теоретически необходимого количества воздуха зависит от состава го­рючего вещества.

Таблица 1. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания веществ

Горючее вещество	Количество воздуха для сгорания 1 кг вещества, м^З	Горючее вещество	Количество воздуха для сгорания 1 кг вещества, м^З
Ацетон	9,45 -7,35	Ацетилен	15,4 -11,9J
Бензол	13,2 - 10,25	Бутан	39,8 - 30,94
Бензин	14,3 -11,1	Водород	3,08- 2,38
Древесина (W=7%)	5,4-4,18	Водяной газ	2,84 - 2,2
Керосин	14,85-11,5	Метан	12,3- 9,52
Нефть	13,9-10,8	Оксид углерода	3,08 - 2,38
Толуол	12,9-10,0	Пропан	30,6 - 23,8
Торф (воздушно- сухой)	7,5-5,8	Природный газ	6,45 - 5,0

Горючее вещество — индивидуальное химическое соединение. Для таких горючих веществ независимо от их агрегатного состояния теоретически необходимое количество воздуха определяется из уравнений реакции го­рения. На m кмоль горючего вещества приходится п кмоль кислорода и азота из уравнения реакции горения. Обозначив массу (в кг) горючего вещества, числен­но равную молекулярной массе его, через М, составляют пропорцию

тМ кг—n 22,4 м³

1 кг—V_B⁰ м³

где 22,4 — объем 1 кмоль газов (при О °С и 101325 Па).

Теоретически необходимый объем воздуха для сгорания 1 кг вещества равен (из пропорции) (1)

Если объем воздуха, полученный по формуле (1), необходимо привести к иным условиям, то пользуются формулой

(2),

где Т — заданная температура газов, К; р — заданное давление, Па.

Теоретически необходимый объем воздуха для сгорания 1 м³ горючих газов определяется по формуле

V°_B = n/m (3)

Пример 1. Определить объем воздуха, необходимый для сгорания 1 кг бензола при 20 ^оС и давлении 99992 Па. Составляем уравнение реакции горения бензола в воздухе

C₆H₆ + 7,5O₂ + 7,5.3,76N₂ = 6CO₂ + 3H₂O + 28,2N₂

Согласно уравнению реакции на горение 1 кмоля бензола требуется n=7,5+7,5-3,76=35,7 кмоля воздуха. Молекулярная масса бензола 78.

По уравнению (1) определяем теоретически необходимый объем воздуха для сгорания 1 кмоля бензола при нормальных условиях

м³/кг.

При заданных условиях этот объем будет равен [уравнение (2)}

м³/кг.

Пример 2. Определить объем воздуха, необходимый для сгорания 4 м³ ацетилена. Составляем уравнение реакции горения ацетилена в воздухе

С₂Н₂ + 2,5О₂ + 2,5-3,76Nj = 2СО_г + Н₂О+ 9,4N₂

Согласно уравнению реакции, на горение 1 кмоля ацетилена необходимо 2,5+2,5-3,76=11,9 кмолей воздуха. Определяем объем воз­духа, необходимый для горения 4 м³ ацетилена

.

Горючее вещество — сложная смесь химических соединений. Такими веществами являются древесина, торф, каменный уголь и др. Для определения теоретически необходимого объема воздуха нужно знать элементный состав горючего вещества, выраженный в массовых процентах, т. е. содержание С, Н, О, S, N, золы (А), влаги (W). Элементный состав вещества определяют в аналитической лаборатории. Чтобы рассчитать , запишем уравнение реакции горения углерода, водорода и серы и массовое соотношение реагирующих веществ

С + О₂ = СО_{2 à}+ О₂ = 2Н₂О S + О₂ = SO₃

12+32=44 4 + 32 = 36 32 + 32 = 64

Если для сгорания 12 кг углерода требуется 32 кг кислорода, то для 0,01 кг углерода, т. е. 1% (масс.) его потребуется кислорода 0,01-32/12 = 0,01-8/3 кг, для водо­рода соответственно потребуется 0,01-32/4 = 0,01-8 кг и для серы 0,01 -32/32 =0,01•1 кг кислорода.

Для полного сгорания 1 кг горючего вещества потребуется кислорода (в кг)

,

где [С], [Н], [S], [О]—содержание углерода, водорода, серы и кислорода в горючем веществе, % (масс).

На вычисленное количество кислорода в воздухе приходится в 77/23 раза больше азота. Сумма азота и кислорода составляет массу воздуха L\ (в кг), необходимую для горения 1 кг вещества

После преобразования получим

. (4)

Чтобы выразить количество воздуха в объемных единицах, нужно правую часть выражения (4) разделить на массу 1м³ воздуха при нормальных условиях, т. е. на 1,293 кг/м³. В результате получим

. (5)

Пример 3. Определить объем воздуха, необходимый для сгорания 5 кг торфа, состоящего из 40,0% С, 4,0% Н, 13,0% О и 20,0% N; А= 10%; W=13,0%. Азот, зола и влага горючего вещества при определении количества воздуха не учитываются, так как они не принимают участия в реакции. Объем воздуха, необходимый для сгорания 1 кг торфа, определяем по формуле (5)

м³/кг.

Для сгорания 5 кг торфа потребуется воздуха 4,3^.5=21,5 м³.

Горючее вещество — смесь газов. К этой группе веществ относятся горючие газы, например природный, доменный, коксовый и др. Все они в том или ином количестве содержат СО, СН₄, Н₂, H₂S, C₂H₄ и др. Состав горючих газов обычно выражают в объемных процентах. Для вывода формулы расчета V_I напишем уравнение реакции горения наиболее распространенных газов:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О H₂S + 1, 5О₂ = Н₂О + SO₂

2СО + О₂ = 2СО₂ 2Н_а + О₂ = 2Н₂О

Если для сгорания 1 м³ метана требуется 2 м³ кислорода, как это видно из уравнения, то для сгорания 0,01 м³ метана, т. е. 1% (об.) потребуется 0,01^.2 м³ кис­лорода. Для сгорания 1 м³ оксида углерода потребуется 0,01/2 м³ кислорода, такое же количество кислорода потребуется для сгорания 1 м³ водорода, а для сгорания сероводорода необходимо 0,01^.1,5 м³ кислорода.

Для полного сгорания 1 м³ горючего газа потребуется кислорода (в м³)

,

где [СН₄], [Н₂], [СО], [H₂S] и [О₂] — содержание метана, водорода, оксида углерода, сероводорода и кислорода, % (об.).

В воздухе на этот объем кислорода приходится в 79/21 раза больше азота. Сумма азота и кислорода составляет объем (м³) воздуха, необходимый для сгорания 1 м³ газа

.

Дата добавления: 2014-01-07